Les thermomètres chimiques prennent la température à l'échelle nanométrique

Publié par Adrien le 18/07/2020 à 09:00
Source: CNRS
Des scientifiques du Laboratoire CNRS de chimie de coordination et du Laboratoire CNRS d'analyse et d'architecture des systèmes viennent de mettre au point des revêtements moléculaires capables de mesurer la température de fonctionnement de composants électroniques à l'échelle nanométrique. Ces molécules thermosensibles, brevetées, ont la particularité d'être extrêmement stables, même après des millions d'utilisation. Elles sont présentées dans un article publié dans Nature Communications le 17 juillet 2020, et pourraient être prochainement déployées dans l'industrie microélectronique.

La miniaturisation des composants électroniques et l'augmentation de leur densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme...) d'intégration a pour effet d'augmenter considérablement les flux de chaleur (Le flux de chaleur est une transmission de chaleur (ou énergie thermique) à travers un corps. Le flux de chaleur s'exprime en W/m2.), pouvant mener à des phénomènes de surchauffe (La surchauffe est une opération physique qui a lieu dans un moteur à vapeur.). Mais comment mesurer ces événements parfois nanométriques, alors que les solutions conventionnelles comme la thermographie (L'AFNOR définit la thermographie comme la « technique permettant d'obtenir, au moyen d'un appareillage approprié, l'image thermique d'une scène thermique observée dans un domaine spectral...) infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte que celle des micro-ondes.) ne permettent pas de descendre sous le micromètre (Un micromètre (symbole μm) vaut 10-6 = 0, 000 001 mètre.) (1000 fois plus grand qu'un nanomètre) ?


Cartes de température d'un nanofil d'or sur un substrat de silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) chauffé par effet Joule (L'effet Joule est la manifestation thermique de la résistance électrique. Il se produit lors du passage d'un courant électrique dans tous matériaux conducteurs, à l'exception des supraconducteurs qui nécessitent cependant des...) par un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau conducteur. Ces déplacements sont...) de 7 mA, obtenues par thermographie infrarouge (haut) et par le thermomètre (Un thermomètre est un appareil qui sert à mesurer et à afficher la valeur des températures. C'est le domaine d'étude de la thermométrie.) de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa...) à transition de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et sa charge électrique. Comme la...) (bas). Alors que l'échauffement reste indétectable en infrarouge du fait d'une résolution thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents phénomènes...) et spatiale trop faible, la distribution de température est bien résolue grâce au thermomètre à TS, mettant en évidence un "point (Graphie) chaud" lié à un mauvais fonctionnement du composant.
© Ridier et al.

Une équipe de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...) regroupant des scientifiques de deux laboratoires du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), le Laboratoire de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.) de coordination et le Laboratoire d'analyse et d'architecture (L’architecture peut se définir comme l’art de bâtir des édifices.) des systèmes, propose d'utiliser pour cela les capacités de bistabilité d'une famille de composés chimiques appelée molécules à transition de spin (TS). Celles-ci présentent deux états électroniques, avec des propriétés physiques différentes, et peuvent passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) de l'un à l'autre lorsqu'elles reçoivent ou perdent de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.). Par exemple, certaines changent de couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) en fonction de la température.

Une fois déposées en couche mince (Une couche mince est une fine pellicule d'un matériau déposée sur un autre matériau, appelé « substrat ». Le but de la couche mince est de donner des propriétés particulières à la surface...) sur un composant électronique (Un composant électronique est un élément destiné à être assemblé avec d'autres afin de réaliser une ou plusieurs fonctions électroniques. Les composants forment de très nombreux types...), les molécules à TS voient leurs propriétés optiques évoluer en fonction de la température. Ce thermomètre chimique permet donc d'établir une cartographie (La cartographie désigne la réalisation et l'étude des cartes géographiques. Le principe majeur de la cartographie est la représentation de données sur un support réduit représentant un espace...) thermique, à l'échelle nanométrique, de la surface de circuits microélectroniques. Mais la principale prouesse de ces revêtements moléculaires à TS réside dans sa stabilité unique: les propriétés des molécules restent inchangées, même après plus de 10 millions de cycles thermiques sous atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) ambiante et jusqu'à des températures élevées (230°C).

Cette innovation résout donc la principale faiblesse des molécules à TS qui est leur fatigabilité, le fait que leurs propriétés finissent par être altérées après de multiples passages d'un état électronique à un autre. Elle pourrait bientôt être employée dans l'industrie microélectronique pour sonder les processus thermiques locaux et ainsi améliorer la conception des dispositifs futurs (Futurs est une collection de science-fiction des Éditions de l'Aurore.).

Bibliographie:
Unprecedented switching endurance (L'endurance est la capacité de maintenir dans le temps un certain niveau d'intensité exigée.) affords for high-resolution surface temperature mapping using a spin-crossover film.
Karl Ridier, Alin-Ciprian Bas, Yuteng Zhang, Lucie Routaboul, Lionel Salmon, Gábor Molnár, Christian Bergaud et Azzedine Bousseksou. Nature Communications, le 17 juillet 2020. DOI:10.1038/s41467-020-17362-7.
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